第2章计算机硬件

第2章计算机硬件本章内容2.2中央处理器2.3存储器2.4总线与接口添加文本添加文本2.6常用输出设备添加文本添加文本2.5常用输入设备2.1计算机组成2.7PC机组成计算机组成冯·诺依曼计算机

一个典型现代计算机系统的硬件组成

计算机组成--冯·诺依曼计算机典型的冯·诺依曼计算机结构框图计算机组成--冯·诺依曼计算机运算器（ArithmeticUnit）完成数据的算术运算和逻辑运算。算术运算：加法、减法、乘法、除法以及乘方、开方等；逻辑运算：与、或、非等，例如两个数的比较等控制器（ControlUnit）控制计算机各部件协调地工作。控制器的作用是对指令执行过程的控制。存储器（Memory）存储程序和各种数据，输入设备（InputDevices）向计算机输入数据和程序。键盘、鼠标、摄像头、扫描仪、数码相机、光笔、手写输入板、游戏杆、语音输入装置等等。输出设备（OutputDevices）把计算机中存储、处理或传送来的信息以人们熟悉的形式表示出来。计算机组成--冯·诺依曼计算机例2-1

：在冯·诺依曼结构中，假设计算机在计算表达式3+4时，数据“3”和“4”通过键盘输入，计算结果“7”在显示器显示。请回答下列问题。（1）在“存储程序”的工作方式下，分析数据线上传送的信息有哪些。（2）五大部件中哪一个部件协调着数据线上的信息有序传送？（3）五大部件中哪一个部件具体实现了“+”操作？计算机组成--冯·诺依曼计算机答：（1）在数据线上流动着2种信息流：指令流、数据流。指令流：数据流：（2）在实现这一功能过程中，控制器协调着数据线上每种信息的有序流动。（3）运算器实现了“3+4”的加法运算。

①编写好的程序：输入设备→运算器→存储器②执行程序时：存储器→控制器①“3”和“4”：键盘（输入设备）→运算器；②“7”：运算器→显示器计算机组成--一个典型现代计算机系统的硬件组成计算机组成--一个典型现代计算机系统的硬件组成中央处理器（CentralProcessingUnit，CPU），专门用来执行指令的部件就是处理器。计算机中的处理器很多，运行系统软件和应用软件任务的处理器称为中央处理器计算机最核心的部件。

存储器（Memory）存储器的种类繁多，例如主存储器、磁盘等

总线（Bus）提供了计算机部件之间规范化交换数据的方式，包括一组共享的信息传输线和控制逻辑。I/O设备（Input/Output

Devices）I/O接口（Input/OutputInterface）每个I/O设备都通过一个控制器或适配卡与I/O总线相连。控制器与适配卡区别：封装方式不同，控制器是置于I/O设备本身或系统的主印刷电路板（通常称为主板）的芯片组中，而适配卡是一块插在主板插槽上的卡。中央处理器存储器总线与接口添加文本添加文本常用输出设备添加文本添加文本常用输入设备计算机组成PC机组成中央处理器指令与指令系统

CPU的基本组成

程序与指令的执行过程

CPU的性能指标

微处理器的发展和分类

中央处理器--指令与指令系统机器语言程序示例指令

二进制形式

中央处理器--指令与指令系统指令的基本格式：操作码、地址码操作码：指令所要完成的操作，如加法、减法、传送、移位等。地址码：操作数地址、结果的地址或者下一条指令的地址。

例2-2．计算机的一条加法指令：MIPS一条加法指令：00000001111100000111000000000000汇编格式：addA，C，F若C和F单元分别存放有数据4和3。请问这条指令执行后，A所在单元存储的数据是多少？答：根据题意，该指令是一条加法指令，加法运算的结果保存在A单元中，加法运算的两个加数分别是3和4，3+4=7，所以，该指令执行后A所在单元存储的数据是7。操作码加数地址结果地址中央处理器--指令与指令系统指令系统提供了软件和硬件之间的界面一台计算机能执行的所有指令的集合就构成这台计算机的指令系统

中央处理器--指令与指令系统

两种不同的指令集---CPU的不同设计理念和方法

复杂指令集CISC（ComplexInstructionSetComputer）精简指令集RISC（ReducedInstructionSetComputer）指令系统兼容性

同一厂家推出的系列CPU，通常是保持指令系统的向下兼容性。例如：Intel公司生产的系列CPU采用的是x86指令集：

8086、80386、奔腾、奔腾II、奔腾4、酷睿2、corei3、corei3、corei7

不同公司生产的CPU可能有相同的指令集例如：AMD公司生产的CPU也采用x86指令集，所以与Intel公司的x86指令集的计算机之间软件兼容。

不同公司生产的CPU可能采用各自的指令集例如：IBM的PowerPC指令集是RISC风格的，显然与Intel公司CPU指令集CISC的不一样，所以，这两种计算机之间不兼容。中央处理器--数据通路控制部件CPU的逻辑组成寄存器堆、算术逻辑单元ALU

控制信号生成部件、程序计数器、指令寄存器、脉冲源CPU的基本组成中央处理器--CPU的基本组成例2-2中加法指令“addA，C，F”的功能实现:①（C）→ALU

//4→ALU

（F）→ALU

//3→ALU②ALU执行加法运算//3+4=7③ALU→A

//7→ACPU是一个时序部件，按照时间顺序生成控制信号来控制每一步骤的操作。中央处理器--程序和指令的执行过程编程序执行程序“存储程序”的工作方式

“存储程序”的工作方式

“存储程序”的工作方式

输入程序：键盘（鼠标）→CPU→主存储器保存程序：主存储器→磁盘中央处理器--程序和指令的执行过程编程序执行程序“存储程序”的工作方式

“存储程序”的工作方式

“存储程序”的工作方式

加载程序：磁盘主存储器逐条执行指令：主存储器→CPU执行中央处理器--程序和指令的执行过程取指令分析指令一条指令的执行

执行指令MMAddA,C,F

AddA,C,F3477M+1中央处理器--CPU的性能指标计算机系统性能≠CPU性能系统性能是指系统响应时间，是计算机完成某任务所需的总时间，包括硬盘访问、内存访问、I/O操作、操作系统开销和CPU执行时间等。CPU性能主要指CPU运行用户程序代码的时间。

CPU性能主要有：（1）机器字长（2）主频年后主频的提升速度减缓。（3）CPU总线速度（4）处理器的微架构（5）处理器芯片的集成度（6）内核数量中央处理器--微处理器的发展与分类CPU可以集成在一个半导体芯片上，这种具有中央处理器功能的大规模集成电路器件，被统称为“微处理器”

x86、ARM、MIPS、POWER成为全球四大流行处理器架构。

48163264（位）19724004

8008

8088

198580386pentium

2006

Core

2

Duo

2008Core

i719811971199319788086Intel公司微处理器的发展：存储器存储器的特性

半导体存储器

存储器的性能指标

存储器的层次结构

主存储器

常用外存储器

存储器--存储器的特性存储器的分类存储器的存储介质半导体器件、磁性材料、光介质

存储器的存取方式随机存取方式、顺序存取方式、直接存取方式断电后存储信息的可保存性

易失性存储器、非易失性存储器

在计算机中的作用高速缓冲存储器（cache）、主存储器、辅助存储器

CPU的可访问性内存、外存存储器--半导体存储器半导体存储器(semi-conductormemory)是一种以半导体集成电路作为存储媒体的存储器随机存储存储器RAM静态随机存储器SRAM动态随机存储器DRAM不可在线改写内容ROM快擦除存储器FlashROM高速缓冲存储器主存储器BIOS存储器半导体存储器只读存储器ROM存储器--存储器的性能指标存储器性能指标:容量、速度、价格存储器容量

容纳的二进制信息量，单位是位（bit，b）、字节（Byte，B）或字等存储器速度

存取时间、存储周期、带宽存储器价格

总价格、单位价格，单位价格=总价格/存储器容量存储器--存储器的层次结构数据一般只是在相邻两层之间复制传送。CPU执行程序时，大部分操作数都来自寄存器。如果需要从存储器中读取指令或读/写数据时，先检测指令或数据是否在cache中，如果在cache中，则直接访问cache，否则再访问主存储器，如果也不在主存储器，则访问磁盘。存储器--主存储器RAMDRAM的内存条，插在内存插槽用户程序和数据断电信息丢失ROMFlashROM芯片，插在主板固定的系统程序（BIOS）断电信息不丢失主存储器由半导体集成电路芯片组成，包括RAM和ROM

PC机中主存储器的组成：，存储器--主存储器主存储器容量=地址数×每个存储单元的位数例如：6位地址能够编址的地址数为26=64个每个存储单元存放8位二进制，该存储器容量为：26*8b=64字节。PC机中，按字节编址，即每个地址单元存放一个字节信息CPU按地址访问存储器，对存储器的访问：读操作、写操作主存储器的存取时间是指从CPU给出存储器地址开始，到存储器读出数据并送到CPU（或把CPU送来的数据写入存储器）所需要的时间主存储器的存取时间单位为ns。存储器--常用外存储器硬磁盘存储器由三部分组成：

（1）磁记录介质：保存信息。（2）硬磁盘驱动器：提供了对磁盘的访问操作。（3）磁盘控制器：主机和硬磁盘驱动器之间的接口，串行ATA接口（即SATA）。硬盘上定位数据的参数：磁头号（盘面号）磁道号扇区号硬盘格式化后的容量=2*盘片数*每盘磁道数*每磁道扇区数*每扇区字节数。硬盘平均存取时间：磁头的寻道时间磁盘的旋转速度数据的传输速率

存储器--常用外存储器光盘：存放文字、声音、图形、图像和动画等多媒体数字信息。光盘存储器组成:光盘盘片、光盘驱动器在盘片上压制凹坑来记录信息，利用光头发出的激光光束来进行信息读写。光盘按所用的激光类型分：红光的CD盘、DVD盘和蓝光的BD盘容量：CD盘<DVD盘<BD盘片光盘片按读写次数分:只读型、一次写入型和可擦写型

光盘驱动器：内置驱动器和外接驱动器只读光驱和光盘刻录机两大类CD类、DVD类、BD类和组合式的光盘驱动器向下兼容：DVD光驱中可用CD盘，BD光驱中可用CD、DVD盘光盘驱动器的接口SATA接口、外接驱动器使用USB接口。存储器--常用外存储器光盘的速度比硬盘低一个数量级。硬盘系统与光盘系统的区别原理数据读写数据传输速率存储容量速度硬盘系统单靠磁场来更改存储的数据光盘系统是利用磁场和激光光束来更改存储的数据硬盘是通过磁头以感应的方式从磁盘上读写数据，磁头与高速旋转的磁盘必须保持一定的间歇，读写过程中的震荡容易造成磁头碰撞盘片而损坏数据光盘驱动器中是以激光光束来进行数读写，一般不会发生光头碰撞，安全性较好磁盘系统的传输率一般是恒定的光盘系统的传输率与激光输出功率相关，激光输出功率越高，数据传输率就越快硬盘系统的容量以磁盘的格式所限定光盘系统的容量与激光波长有关，激光波长越短，便能缩短间距而提高存储容量，且盘片易于更换存储器--常用外存储器（1）移动硬盘(MobileHarddisk)

接口：有线接口（USB3.0、USB2.0、eSATA和Thunderbolt雷电接口）无线接口（WIFI或Bluetooth）特点：容量大、体积小、速度高、使用方便、安全可靠、防震功能（2）U盘----闪存（FlashMemory）接口：USB特点：体积小、重量轻、可重复写入、即插即用、速度较快、性能可靠U盘抗震能力强于移动硬盘，电量比移动硬盘小，容量小于移动硬盘（3）存储卡----闪存用于手机、数码相机、便携式电脑、MP3和其他数码产品上的独立存储介质，一般是卡片的形态，特点：体积小、携带方便、使用简单、良好的兼容性种类：MMC系列、SD系列、记忆棒、PCle闪存卡、CF卡等等读卡器（Card-reader）：读写存储卡的接口设备总线与I/O接口总线

I/O接口

总线与I/O接口--总线总线是连接多个功能部件的共享的信息传输介质，提供了部件之间规范化的交换数据的方式，或者说是以一种通用的方式为各组成部件提供数据传送和控制逻辑。系统总线：连接CPU、存储器和I/O模块之间的总线的统称。

处理器总线

存储器总线I/O总线I/O总线：PCI总线、AGP总线和PCI-Express总线等总线与I/O接口--总线例2-4.若某总线在一个总线周期内传送一个4字节的数据，总线时钟频率为33MHz，求总线带宽是多少?若改进后，在一个总线周期内能传送2次数据时，则总线带宽又是多少？答：根据上述总线带宽公式，在一个总线周期内传送一个4字节的数据时，总线带宽是：

4B×33MHz×1=132MB/s。在一个总线周期内传送2次数据时，总线带宽是：4B×33MHz×2=264MB/s。总线带宽（MB/s）=（数据线宽度/8）×总线工作频率（MHz）×每个总线周期的传输次数。总线与I/O接口--总线总线标准：为计算机制造商和I/O设备制造商提供了一种规范。目的：计算机系统的可扩充性和可维护性PCI（PeripheralComponentInterconnect）：PC机中的一种高带宽I/O总线标准，用于中高速外设与主机相连。PCIExpress（简称PCI-E）：PC机中一种全新的I/O总线标准，基于更快的串行通信系统。PCI-E总线标准全面取代PCI总线和AGP总线，实现I/O总线标准的统一。PCI-E总线的特点：（1）点对点串行连接。（2）多种规格，满足不同设备对数据传输带宽的需求。（3）数据传输速率高。（4）支持热拔插。（5）较短的PCI-E卡可以插在较长的PCI-E插槽中使用（6）通用性总线与I/O接口--I/O接口例如：显卡

一头插在PCI-Ex16总线插槽中另一头通过电缆连接显示器CPU和内存（主机）—I/O总线—I/O控制器-插座—电缆—外设。总线与I/O接口--I/O接口

常用I/O设备接口有PS/2接口、USB接口、DVI接口、HDMI接口、VGA接口视频输出接口总线与I/O接口--I/O接口音频接口IEEE1394接口网络接口RJ45e-SATA接口USBPLUS接口常用输入设备键盘

鼠标器

触摸屏

扫描仪数码相机

常用输入设备--键盘键盘：输入设备，通过键盘可以将英文字母、数字、标点符号等输入到计算机中，从而向计算机发出命令、输入数据等。有线键盘：接口有AT接口、PS/2接口、USB接口，无线键盘：蓝牙、红外线等技术实现数据传输

常用输入设备--鼠标器鼠标器（Mouse）：输入设备，手持式的定位设备，能方便地控制屏幕上的光标移动到指定的位置，并通过按键完成各种操作。

鼠标的定位精度：分辨率，指鼠标移动中，每移动一英寸能准确定位的最大信息数。单位是dpi或cpi。Dpi（dotsperinch）：鼠标每移动一英寸，指针在屏幕上移动的点数Cpi（countperinch）：每英寸的采样率，即鼠标每移动一英寸，鼠标自己能够从移动表面上采集到多少个点的变化。例:鼠标向左移动一英寸时，400dpi的鼠标会使屏幕上的指针移动400个点；400cpi的鼠标会向计算机发出400次“左移”信号。dpi的概念中涉及到了显示器的因素，cpi属性完全属于鼠标自己的性能机械鼠标器、光电鼠标器两键鼠标、三键鼠标、五键鼠标、多键鼠标、3D鼠标有线鼠标:接口有PS/2接口、USB接口无线鼠标:应用红外线、蓝牙(Bluetooth)技术常用输入设备--触摸屏触摸屏（touchscreen）：输入设备，一种定位设备，用户可以直接用手向计算机输入坐标信息。鼠标相对定位：光标移动触摸屏绝对定位设备：使用绝对坐标，触碰点就是定位点触摸屏通常是在显示器上覆盖了一层透明的触摸面板，其对压力有高敏感度，当触头施压于其上时会产生电流信号，以确定出压力源位置，并可对其动态追踪。依靠传感器来工作单点触摸屏、多点触摸屏常用输入设备--扫描仪扫描仪（scanner）：输入设备，输入图像信息，照片文本页面、图纸、胶片、美术图画等利用光电技术和数字处理技术，以扫描方式捕获影像，并转换成计算机的数字信号，配合光学字符识别软件OCR（OpticCharacterRecognize）还能将扫描的文稿转换成计算机的文本形式。。核心部件:感光元件、模数（A/D）转换器扫描仪工作时发出的强光照射在稿件上，没有被吸收的光线将被反射到光学感应器上。光学感应器接收到这些信号后，将这些信号传送到模数（A/D）转换器，模数转换器再将其转换成计算机能读取的信号，然后通过驱动程序转换成显示器上能看到的正确图像。反射稿：不透明文件，如报刊、杂志等透射稿：幻灯片（正片）、底片（负片）。分辨率、色彩位数、扫描幅面接口：SCSI接口、EPP接口、USB接口等常用输入设备--数码相机数码相机：图像输入设备，集光学、机械、电子一体化的产品分辨率：像素的数目，像素是相机成像元件上的感光最小单位常用输出设备显示器

打印机

常用输出设备--显示器显示器：图文输出设备显示器：监视器+显卡阴极射线管显示器（CRT）、液晶显示器LCD、等离子显示器PDP3D显示